Расчеты по металлургии меди и никеля: учебн. пособие

Бледнов Б.П. Дульнева В.Е.

Красноярск, 2004 г.

Печь Ванюкова - шахтного типа с вертикально расположенным рабочим пространством, шахта печи смонтирована из водоохлаждаемых медных кессонов. К горну печи с обеих сторон примыкают штейновый и шлаковый сифоны. При работе печи кессоны изнутри покрываются слоем защитного шлакового гарнисажа, предохраняющего их от агрессивного воздействия со стороны расплава.

В боковых кессонах установлены водоохлаждаемые фурмы, через которые в расплав поступает дутье. Через фурмы в печь можно подавать природный газ. Сечение печи в плоскостифурм делит печь по высоте на две зоны: барботируемую надфурменную и подфурмешгую, в которой расплав находится в спокойном состоянии.

Загрузка шихты в печь производится сверху непосредственно на ванну расплава. Интенсивное перемешиваниерасплава в надфурменной зоне барботирующими через нее газами создает оптимальные условия для тепло- и массопередачи, что обеспечивает высокие скорости окисления и плавления, благодаря попаданию шихты в высокотемпературную зону расплава и быстрому растворению тугоплавких составляющих шихты, в том числе кусков кварца, крупностью до 50 мм.

Перемешивание расплаваприводит к многочисленным столкновениям содержащихся в расплаве мелких сульфидных капель и их слиянию. Крупные капли сульфидов быстро оседают в слое шлака, мнократ-но промывая его за время движения сверху. В надфурменной зоне происходит как бы «сортировка» частиц по крупности. Мелкие штейновые частицы практически неподвижны относительно шлака и поэтому в области фурм перемешиваются вместе со шлаком. Только после достижения определенной крупности (~ 0,4 мм) частицы под действием силы тяжести приобретают достаточную вертикальную скоростьдвижения и могут выпасть в подфурменную зону.

Таким образом, в условияхплавки Ванюкова большая часть мелкодисперсных штейновых частяц укрупняется и отделяется от ишака, переходя в штейновую фазу.

При интенсивном перемешивании шлако-штейнового расплава в надфурменной зоне устанавливается равновесие между количеством поступающих с шихтой в расплавсульфидных частиц, их дроблением и коалесценцией. В результате устанавливается постояннаяконцентрация капель сульфидов в шлаке на уровне 5-10 % от массы расплава.

Автогенный режим при плавке достигается в зависимости от составашихты и ее влажности при содержании кислорода в дутье от 40-45 % до 55-65 %. При недостатке тепла в печи сжигают углеродистое топливо, либо вдувая в расплав через фурмы природный газ, либо загружая на поверхностьрасплава уголь.

При плавке Ванюкова окисление сульфидов происходит в шлаке, а не в штейне, и шлак движется не в горизонтальном направлении, постоянно контактируя с кислородсодержащими газами, а в вертикальном -сверху вниз, быстро выходя из контакта с газами, что приводит его в равновесие со штейном, а переокисление железа до магнетита не получает развития. Более того, в печи, в особенности в барботируемой ванне, создаются благоприятные условия для разложения магнетита. В результате, конечное его содержание в шлаке на выходе из печи снижается до 3-8 %, что в несколько раз ниже, чем в других автогенных процессах.

Окисление сульфидов в шлако-штейновой эмульсии протекает менее интенсивно, чем в сульфидном расплаве, что позволяет избежать локального его перегрева. При этом скорость окисления остается достаточно высокой, поэтому степень использования кислородадутья близка к 100%. При плавке не происходит формирования первичного железистого оксидно-сульфидного расплава, вследствие чего не образуется в значительных количествах (как при взвешенной плавке) мелкодисперсная взвесь штейновых частиц в шлаке.

Известно, что потери меди со шлаком находятся в прямой зависимости от содержания ее в штейне. потерирезко увеличиваются при получении штейнов, содержащих > 60 % Си. Поэтому обычно плавку ведут на штейны, содержащие до 50-55 % Си.

Процесс Ванюкова по основным технико-экономическим показателям превосходит применяемые процессы плавки. Удельная производительность печи Ванюкова в 6-8 раз выше удельной производительности печей кислородно-факельной и финской плавки. В печь можно загружать как кусковую руду, так и измельченные концентраты различного состава. Процесс характеризуется низким пылевыносом, высоким содержанием SC-2 в отходящих газах и получением отвальных шлаков.

1.2. МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПЛАВКИ НА ШТЕЙН

Независимо от технологических особенностей и различий в аппаратурном оформлении применяемых автогенных процессовплавки сульфидного медного и медно-никелевого сырья на штейн, их термодинамические основы и протекающие в печах физико-химические превращения принципиально не отличаются. Особенностью известныхспособов автогенной плавки на штейн является возможность регулирования составаштейна (вплоть до получения белого матта или файнштейна) путем изменения степени десульфуризации.

В медных штейнах существует зависимость между концентрациями меди, железа и кислорода. Поэтому при расчете состава медного штейна можно принимать определенное значение содержания меди или железа, прочих, что позволяет рассчитать концентрацию других компонентов.

При рассмотрении плавки медно-никелевого сырья можно задавать содержание в штейне или железа, или суммы меди и никеля.

Нахождение количества штейна и шлака при расчетах автогенной плавки по выбранной модели не требует рассмотрения и учета химических реакций.

При расчете составашлака автогенной плавки принимают соотношение или содержание в шлаке основных шлакообразующих (FeO, SiO2, CaO и др.) и, вводя флюс, получают шлак определенного состава. Возможен вариант расчета с получением «самоплавкого» шлака (при плавке без флюсов). Дальнейшими расчетами, после выбора окончательного состава шлака, определяется необходимое количество флюса. Содержание в шлакецветныхметаллов (меди, никеля, кобальта и др.) может быть определено через коэффициенты распределения или извлечение. С учетом форм нахождения цветныхметаллов в шлаке можно рассчитать концентрации их оксидов или сульфидов.

Таким образом, неизвестными в модели автогенной плавки являются массы штейна, шлака и флюсов. Через указанные неизвестные выражаются количества всех компонентов исходных материалов и продуктов.

При расчетах материального баланса необходимо учитывать пылевынос. Величина пылевыноса принимается по данным практики. В модели расчета величину пылевыноса можно выразить либо как долго от массы шихты, либо через величину запыленности газов на выходе из печи. Обычно пыль возвращается в плавку, поэтому пыль фигурирует в приходной и расходной части баланса.

Расчет пыли целесообразно производить до расчета штейна и шлака. В приведенном ниже примере пылевынос в связи с его незначительной величиной не учтен. В других случаях, например, при расчете взвешенной плавки, для которой характерен значительный пылевынос, количество уходящей и оборотной пыли должно учитываться в материальном балансе процесса.